1. 기본 회로
출력 전압이 입력 전압과 동일한 전압을 가지는 것이 큰 특징인 비반전형 벅-부스트 컨버터의 기본 회로이다.
다른 컨버터와는 다르게 fet switch가 2개 사용된것이 큰 특징이다.
Inverting Buck-Boost converter와는 다르게 출력으로 연결되는 다이오드가 정방향으로 연결이 되어있다.
2. Switch On
On 상태 동작일 때 2개의 스위치가 한번에 켜져 두개의 다이오드가 역 바이어스가 되기 때문에 회로에서 아무런 동작을 하지 않는다.
입력 전압이 모두 인덕터에 걸리게 되고 인덕터는 전류가 흐르면 그 전류를 자기장의 형태로 충전하게 된다.
인덕터 양단 전압과 인덕터를 통해 흐르는 전류를 각각 V_L과 i_L로 표현할 수 있다.
SMPS는 매우 높은 스위칭 주파수로 동작하기 때문에 인덕터의 전압에 관한 공식을 다시 쓰면 초록 네모처럼 쓸 수 있다.
왜냐하면 매우 짧은 시간 변화량에 대해서 고려하기 때문이다.
전류의 변화량만을 나타내면 아래의 네모처럼 식을 다시 쓸 수 있다.
여기서 D는 duty로서 스위치 주기에 대한 스위치를 켜는 시간의 비율을 나타내는 값이다.
3. Switch Off
스위치가 꺼지면 2개의 FET들은 동작을 안하는 상태가 되어 입력 전압으로 부터는 전류가 흐르지 않는 상태가 된다.
인덕터는 흐르는 전류를 유지하려는 성질이 있어서 두개의 다이오드를 통한 회로가 형성되는 것을 알 수 있다.
다이오드가 이상적인 특성을 가지고 있고 vf가 0이라고 하면, 다이오드 자리는 전선으로 대체하여 나타낼 수 있다.
인덕터 공식은 입력 전압이 걸리지 않으므로 switch on과의 식이 달라진다.
인덕터에 흐르는 전류는 마찬가지로 매우 높은 스위칭 주파수를 가정하면 초록색 식으로 표현할 수 있다.
여기서는 1-D가 되는데 스위치를 끄는 시간에 대해서 나타내는 것이기 때문에 t에서 스위치를 켜는 시간 dt를 빼주게 되는 것이다.
또한 스위치 ON 상태일 때의 회로를 보면 위의 Boost converter의 스위치가 켜졌을 때의 회로와 같다.
또한 스위치 OFF 상태일 때의 회로를 보면 위의 Buck converter의 스위치가 켜졌을 때의 회로와 같다.
4. 결론
인덕터의 관점에서 전류의 변화량을 생각해보자
스위치가 켜졌을 때의 전류의 변화량과 꺼졌을 때의 전류의 변화량의 합을 0이라고 할 수 있다.
최종적으로 Vout은 Vin에 관한 식으로 나타낼 수 있다.
전압에 시간을 곱한것을 Volt*sec 평형 조건이라고 한다.
이 공식은 smps에 대한 모든 식에서 성립하는 공식이다.
위 공식을 보면, Vin에 (-)음수가 붙지 않는다.
(1) D = 1인 스위치가 계속 켜져있는 상황에서는 식으로는 불가능하다.
회로에서 스위치가 계속 켜져 있으면 인덕터에 대해서 직류가 걸리는 것과 같기에 short와 같은 상태로 매우 높은 전류가 흐르게 된다.
그리하여 두개의 스위치가 결국 망가지게 될 것이다.
(2) D가 증가할수록 Vout이 계속 증가한다는 것을 알 수가 있다.
스위치를 오래 켤수록 인덕터에 흐르는 전류가 증가하고 따라서 에너지를 더 많이 충전하게 되어 출력 전압이 높아진다.
=> Boost converter(승압형) : Vin > Vout
(3) D가 작아지면(스위치를 적게 켜면)
인덕터에 충전 에너지가 낮기에 출력 전압이 낮아진다.
=> Buck converter(강압형) : Vin < Vout
(4) D가 0이면
스위치가 동작하지 않아 인덕터로 전류가 흐르지 않기에 출력전압을 논하지 못한다.
5. 응용
다이오드를 FET로 대체하고 IC를 활용해 주로 개발
: 외장 FET / 인덕터 필요
(1) 입력 전압이 쉽게 변하는 배터리, 태양광 등에서 안정적인 출력 전압을 공급
(2) 배터리 충전회로
: 배터리의 전압이 낮다면 배터리에 공급하는 전압을 더 높게 함으로써 출력전류를 증가시켜 줄 수 있어 충전이 빠르게 되고
: 배터리의 전압이 높다면 공급 전압을 낮추어 출력 속도를 낮추어 준다.
+출처
https://www.youtube.com/watch?v=cz9-TD10IJE
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